Computer Graphics (CS 543) Lecture 1 (Part 1): Introduction to 

Computer Graphics

Prof Emmanuel Agu

Computer Science Dept.Worcester Polytechnic Institute (WPI)

What is Computer Graphics (CG)?

Computer graphics: algorithms, mathematics, data structures ..… that computer uses to generate PRETTY PICTURES

Techniques (e.g. draw a line, polygon) evolved over years Built into programmable libraries

Computer‐Generated!Not a picture!

Photorealistic Vs Real‐Time Graphics

• Photo‐realistic: E.g ray tracingslow: may take days to render

• Real Time graphics: Milliseconds to render (30 FPS)But lower image quality 

This ClassNot this Class

Uses of Computer Graphics Entertainment: games

Courtesy: Super Mario Galaxy 2

Courtesy: Final Fantasy XIV

Uses of Computer Graphics movies, TV, books, magazines

Courtesy: Shrek

Courtesy: Spiderman

Uses of Computer Graphics Image processing:

alter images, remove noise, super‐impose images

Original Image Sobel Filter

Uses of Computer Graphics Process monitoring:

Layout of large systems or plants

Courtesy:

Dataviews.de

Uses of Computer Graphics Display simulations:

flight simulators, virtual worlds

Courtesy: Evans and Sutherland 

Uses of Computer Graphics Computer‐aided design:

architecture, electric circuit design

Courtesy: 

cadalog.com

Uses of Computer Graphics Displaying Mathematical Functions 

E.g., Mathematica®

Uses of Computer Graphics Scientific analysis and visualization:

molecular biology, weather, matlab, Mandelbrot set

Courtesy: 

Human Brain Project, Denmark

2D Vs. 3D 2‐Dimensional

Flat  Only (x,y) color values on screen Objects no notion of distance from viewer

3‐Dimensional (x,y,z) values on screen Objects have distances from viewer

• This class covers both 2D & 3D!• Also interaction: Clicking, dragging

About This Course Computer Graphics has many aspects

Computer Scientists create graphics tools (e.g. Maya, photoshop) Artists use CG tools/packages to create pretty pictures

About This Course Most hobbyists follow artist path. Not much math! This Course: Computer Graphics for computer scientists!!! Teaches concepts, uses OpenGL as concrete example Course is NOT

just about programming OpenGL a comprehensive course in OpenGL. (Only parts of OpenGL covered) about using packages like Maya, Photoshop

About This Course Class is concerned with:

How to build graphics tools Underlying mathematics Underlying data structures Underlying algorithms

This course is a lot of work. Requires: Lots of coding in C/C++ Shader programming Lots of math, linear algebra, matrices

We shall combine:  Programmer’s view: Program OpenGL APIs Under the hood: Learn OpenGL internals (graphics algorithms, math, 

implementation)

Syllabus Summary

2 Exams (50%), 5 Projects (50%) Projects:

Develop OpenGL/GLSL code on any platform, must port to Zoolab machine May discuss projects but turn in individual projects

Class website:  http://web.cs.wpi.edu/~emmanuel/courses/cs543/f13/

Text: Interactive Computer Graphics: A Top‐Down Approach with Shader‐based OpenGL by 

Angel and Shreiner (6th edition), 2012

Cheating: Immediate ‘F’ in the course Advice:

Come to class Read the text Understand concepts before coding

Elements of 2D Graphics Polylines Text Filled regions Raster images (pictures)

Elements of 2D Graphics Polyline: connected sequence of straight lines Straight lines connect vertices (corners)

blow-up

vertex

Polyline Attributes

Color Thickness  Stippling of edges (dash pattern)

Text Devices have:

text mode  graphics mode. 

Graphics mode: Text is drawn 

Text mode: Text  not drawn uses character generator

Text attributes: Font, color, size, spacing, and orientation

Outlined text

Shadow Text

SMALL CAPS

Little Text

Rotated Text

Big Text

Filled Regions

Filled region: shape filled with some color or pattern Example: polygons

A

DC

B

Raster Images

Raster image (picture) is made up of 2D matrix of small cells (pixels, for “picture elements”), in different colors or grayscale. 

(Right: magnified image showing pixels.)

Computer Graphics Tools Require hardware and software tools Hardware tools

Output devices: Video monitors, printers Input devices: Mouse/trackball, pen/drawing tablet, keyboard Graphics cards/accelerators (GPUs)

Software tools (low level) Operating system Editor Compiler Debugger Graphics Library (OpenGL)

Graphics Processing Unit (GPU)

OpenGL implemented in hardware => FAST!! Programmable: as shaders Located either on PC motherboard (Intel) or Separate 

graphics card (Nvidia or ATI)

On PC motherboard On separate PCI express card

Computer Graphics Libraries Functions to draw line, circle, image, etc Previously device‐dependent

Different OS => different graphics library Tedious! Difficult to port (e.g. move program Windows to Linux) Error Prone

Now device‐independent libraries APIs: OpenGL, DirectX Working OpenGL program minimal changes to move from Windows to 

Linux, etc

OpenGL Basics

OpenGL’s function is Rendering (or drawing) Rendering? – Convert geometric/mathematical object 

descriptions into images OpenGL can render:

2D and 3D Geometric primitives (lines, dots, etc) Bitmap images (pictures, .bmp, .jpg, etc)

OpenGL Program OpenGL

GL Utility Toolkit (GLUT) OpenGL does NOTmanage drawing window

OpenGL Window system independent Concerned only with drawing (2D, 3D, images, etc) No window management (create, resize, etc), very portable

GLUT:  Minimal window management Interfaces with different windowing systems Easy porting between windowing systems. Fast prototyping

GLUT

OpenGL

GL Utility Toolkit (GLUT) No bells and whistles

No sliders No dialog boxes No elaborate menus, etc

To add bells and whistles, use system’s API or GLUI: X window system Apple: AGL Microsoft :WGL, etc

GLUT(minimal)

Slider Dialog box

OpenGL Basics Low‐level graphics rendering API

Maximal portability Display device independent (Monitor type, etc)

Operating system independent (Unix, Windows, etc)

Window system independent based (Windows, X, etc)

OpenGL programs behave same on different devices, OS

Simplified OpenGL Pipeline Vertices go in, sequence of steps (vertex processor, clipper, 

rasterizer, fragment processor) image rendered This class: learn algorithms and order of these steps

Vertex Shader

Fragment(Pixel)Shader

Converts3D to 2D

OpenGL Programming Interface

Programmer view of OpenGL? Application Programmer Interface (API) Writes OpenGL Application programs

Framebuffer

Dedicated memory location:  Draw in framebuffer => shows up on screen Located either on CPU (software) or GPU (hardware)

frame buffer

pixel at address [x,y]

0 639

479

0 x

ydisplay surface

scancontroller

x

y

x

y

spot at (x,y)

geometricpositionlogical

address

at (639, 0)

at (639, 479)

convert pixelvalue to color

References Angel and Shreiner, Interactive Computer Graphics (6th edition), Chapter 1

Hill and Kelley, Computer Graphics using OpenGL (3rdedition), Chapter 1